(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉計配列であって、
複数の干渉計副配列を備えており、各副配列は複数の干渉計を備えており、各干渉計は、一対のファイバーブラッグ回折格子と、前記一対のファイバーブラッグ回折格子間に配置された検出用長さの光ファイバーと、を備えており、前記一対のファイバーブラッグ回折格子の前記ファイバーブラッグ回折格子は同じ特性波長を有しており、該波長は、前記副配列内の他の全ての対のファイバーブラッグ回折格子の特性波長と異なっており、さらに、
前記干渉計配列を構成するために前記副配列を互いに接続する副配列接続手段を備えており、
前記副配列接続手段は、
入力バス用光ファイバーと、
出力バス用光ファイバーと、
光結合手段によって前記入力バス用光ファイバーと出力バス用光ファイバーとの間に接続された複数の光ファイバー分岐と、を備えており、
前記の複数の光ファイバー分岐は、それぞれ、少なくとも１つの前記副配列に接続されており、
前記干渉計配列はさらに、前記入力バス用光ファイバーと各光ファイバー分岐との接続部と接続部の間で、前記入力バス用光ファイバーに接続されている、コイル状の光ファイバーの形態の光信号遅延手段を備えていることを特徴とする干渉計配列。
【請求項２】
前記光信号遅延手段によって、入力光信号が前記入力バス用光ファイバーに接続されている連続した各光ファイバー分岐に到達するまでに、該入力光信号が遅延されることを特徴とする請求項１記載の干渉計配列。
【請求項３】
光学的システムであって、
入力光信号を発生する光源と、
光ファイバーによって前記光源に接続された干渉計配列と、を備えており、該干渉計配列は、
（ａ）複数の干渉計副配列を備えており、各副配列は複数の干渉計を備えており、各干渉計は、一対のファイバーブラッグ回折格子と、前記一対のファイバーブラッグ回折格子間に配置された検出用長さの光ファイバーと、を備えており、前記一対のファイバーブラッグ回折格子の前記ファイバーブラッグ回折格子は、同じ特性波長を有しており、該特性波長は、前記副配列内の他の全ての対のファイバーブラッグ回折格子の特性波長とは異なっており、さらに、
（ｂ）前記干渉計配列を構成するために前記副配列を互いに接続する副配列接続手段を備えており、
前記副配列接続手段は、
入力バス用光ファイバーと、
出力バス用光ファイバーと、
光結合手段によって前記入力バス用光ファイバーと出力バス用光ファイバーとの間に接続された複数の光ファイバー分岐と、を備えており、
前記の複数の光ファイバー分岐は、それぞれ、少なくとも１つの前記副配列に接続されており、
前記光学的システムはさらに、前記入力バス用光ファイバーと各光ファイバー分岐との接続部と接続部の間で、前記入力バス用光ファイバーに接続されている、コイル状の光ファイバーの形態の光信号遅延手段を備えており、
各ファイバーブラッグ回折格子は、前記入力光信号に応答して、一次反射光信号を発生させることを特徴とする光学的システム。
【請求項４】
さらに、前記出力バス用光ファイバーに接続され、前記一次反射光信号を検出する検出手段を備えており、前記検出手段により複数の干渉信号が発生し、各干渉信号は、干渉計を構成する一対のファイバーブラッグ回折格子からの一次反射光信号から発生するものであり、前記干渉信号は、各検出用長さの光ファイバーでの位相変化に依存していることを特徴とする請求項３記載の光学的システム。
【請求項５】
前記検出手段は、
前記出力バス用光ファイバーに接続され、前記一次反射光信号を受信して前記干渉信号を発生させるように配置された補償干渉計と、
各副配列内の異なる干渉計から発生した干渉信号を識別するフィルタ手段と、を備えていることを特徴とする請求項４記載の光学的システム。
【請求項６】
前記光信号遅延手段によって、前記入力光信号が前記入力バス用光ファイバーに接続されている連続した各光ファイバー分岐に到達するまでに、該入力光信号が遅延されることを特徴とする請求項３記載の光学的システム。
【請求項７】
前記光ファイバー分岐は、順に、前記光結合手段によって前記出力バス用光ファイバーに接続されていることを特徴とする請求項６記載の光学的システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多重式固有ファイバー光要素に関し、特に、直列のファイバーブラッグ回折格子干渉計配列用の改善された配列構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特定波長の低反射率ファイバーブラッグ回折格子要素を、ファイバーに沿って、間隔Ｌで離間させて直列に備えることにより、干渉計の副配列を単一のファイバー内に構成することが可能である。回折格子間のファイバー長によって干渉計が構成され、（回折格子の波長と同波長の）レーザー光がファイバーを通過する場合、各回折格子で反射されるようになっている。１対の回折格子（すなわち特定の長さＬ）のみからの干渉効果を特定するために、ファイバーに接続された光をパルス変調することが可能である。これによって、図１に示されるように、一連のパルス化反射信号が配列から発生する。配列からの光が干渉計（例えばマッハツェンダ干渉計）に送られる場合、アーム間の経路差は、配列内で隣接した２つのファイバーブラッグ回折反射器間の往復距離（２Ｌ）と等しくなるため、異なる干渉計も構成される。このような経路整合（補償）干渉計は、図１に例示されている。
【０００３】
図１を参照する。第１のファイバーブラッグ回折格子反射器により反射されて補償干渉計の長い方のアームを通過した光は、第２のファイバーブラッグ回折格子反射器により反射されて補償干渉計の短い方のアームを通過した光と、同じ光学的距離を進行する。図２をさらに参照すると、このような光成分は、補償干渉計の出力で干渉し、干渉信号を発生させるようになっている。この干渉信号の位相は、２つのファイバーブラッグ回折格子反射器間のファイバー長Ｌにおける位相変化に依存する。このような経路整合は、配列に沿った続く何対かのファイバーブラッグ回折格子反射に対して行われ、これによって時間分割された一連の出力が補償干渉計から発生する。各出力は、ファイバーの連続長さＬでの位相を表している。
【０００４】
図１および図２に関連して説明したシステムによって、干渉計の副配列を単一のファイバー内に形成することが可能となる。しかし、このようなシステムでは、クロストークが発生する。これは、配列内のファイバーブラッグ回折格子要素の１つによって反射した光パルスは、続いて、他のファイバーブラッグ回折格子によって反射し、正常に発生した反射光信号と干渉することに起因する。このような問題は、図３に示されている。図３を参照すると、特定の波長を有する８つのファイバーブラッグ回折構成要素を有する配列が示されており、各センサ要素は、次のセンサ要素に隣接している。他の構成を用いることも可能であり、それがより望ましいが、基本的なクロストーク源は変わらない。配列からの「１次反射光信号」は、ファイバーブラッグ回折格子によって一回反射した入力光パルスから生じた出力光パルスとして定義される。例えば１％といった低反射率のファイバーブラッグ回折格子に対して、反射信号は入力信号の出力の約１％となる。８つのファイバーブラッグ回折格子を備えたシステムでは、図示されている８つの一次パルスが（７つのセンサ長に対して）発生する。
【０００５】
１つのファイバーブラッグ回折格子で反射したパルスは、さらに、他のファイバーブラッグ回折格子によって２回または３回反射するため、反射信号は非常に弱くなる（入力光レベルのＲ３で減少する）。このような弱い光信号は、１次反射光信号の時間スロットと関連する時間スロットで、配列から出て行く。これによって、クロストークが発生する。弱い信号が強い一次信号と干渉的に混合することは、非常に弱い回折格子反射器を利用しなければ、クロストーク源の影響が大きくなることを意味する。配列内の２次クロストークパルスの数は、多重化されたセンサの数によって著しく増加し、これは、許容できない大きなクロストークとなる可能性がある。
【０００６】
従って、配列内の個々の干渉計間のクロストークを減少させるような、直列のファイバーブラッグ回折格子干渉計配列のための改善された配列構成が必要となる。
【０００７】
【発明の開示】
本発明の目的は、配列内の異なる干渉計間の共通波長のクロストークを最小化あるいは除去するような、直列ファイバーブラッグ回折格子干渉計配列を利用するための改善された配列構成を提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、配列内の干渉計の数を増加させることを可能にしながら、共通波長のクロストークを最小にするような配列構成を提供することである。
【０００９】
本発明の更なる目的は、配列内の異なる干渉計からの反射信号を均衡させるような配列を提供することである。
【００１０】
本発明によると、干渉計配列は複数の干渉計副配列を備えており、各副配列は複数の干渉計を備えており、各干渉計は、一対のファイバーブラッグ回折格子と、一対のファイバーブラッグ回折格子間に配置された検知用長さの光ファイバーと、を備えている。各対のファイバーブラッグ回折格子におけるファイバーブラッグ回折格子は、同じ特性波長を有しており、この特性波長は、副配列内の他の全ての対のファイバー回折格子の特性波長と異なっている。副配列接続手段が、副配列を相互に接続して干渉計配列を形成するとともに、干渉計配列内の異なる干渉計間の共通波長のクロストークを最小とするために利用されている。
【００１１】
本発明の第１の形態によると、副配列は光ファイバーの共通長さに沿って直列に接続されており、これによって、共通波長の最大クロストークが、直列に接続された副配列の数によって制限されるようになっている。
【００１２】
本発明の第２の形態によると、分岐が、光結合手段によって共通の入力／出力光ファイバーに接続されており、各分岐は、直列に接続された１つあるいは複数の副配列を備えている。共通波長のクロストークは、各副配列内の各波長のセンサの数によって制限される。
【００１３】
さらに、本発明の第２の形態によると、配列内の異なるセンサからの反射信号の出力が互いに均衡されるように、光信号源からより末端にある分岐内のファイバーブラッグ回折格子は、光信号源により近い分岐内のファイバーブラッグ回折格子よりも反射率が高くなっている。
【００１４】
本発明の第３の形態によると、分岐が、光結合手段によって入力光ファイバーと出力光ファイバーとの間に接続されているとともに、各分岐が、直列に接続された１つあるいは複数の副配列を備えている。光信号遅延手段が、入力用光ファイバーに配置されており、これによって、入力光信号が入力用光ファイバーに接続されている連続した各分岐に到達する前に、入力光信号の遅延が増大するようになっている。このために、ある分岐内の各副配列からの反射光信号が、他の分岐内の副配列からの反射光信号と、時間的に分割されるようになっている。
【００１５】
本発明は、従来技術を大きく改善するものである。本発明の配列構成を利用することによって、配列内で多重化された干渉計間の共通波長のクロストークが著しく減少する。加えて、この配列は、配列内の異なるセンサからの反射信号が（出力に関して）ほぼ均衡されるように、構成することが可能である。本発明の１つの実施例では、配列内の異なるセンサから受信される反射信号が均衡されるように、配列内の異なるファイバーブラッグ回折格子の反射率は、異なっている。本発明の他の実施例では、光信号が通過しなければならないカプラの数は最小となっており、これによって、カプラによる減衰が最小となるとともに、反射光が均衡されるようになっている。本発明の利点は、配列内の干渉計センサの数を増加させることが可能となる一方で、クロストークが減少することである。
【００１６】
本発明の上述した目的、特徴および利点や他の目的、特徴および利点は、付随の図面に示されている実施例についての以下の詳細な説明によって、より明確となるだろう。
【００１７】
本発明は、多重式ファイバーブラッグ回折格子干渉計配列のための改善された配列構成を提供する。この配列構成は、配列内の干渉計の数を従来技術よりも増加させながら、配列内の個々の干渉計間のクロストークを著しく減少させるものである。本発明では、ブラッグ回折格子干渉計の波長分割多重配列に基づく配列構成を利用する。様々な配列構成に、この基礎的な配列構成を利用することによって、配列内の個々の干渉計間のクロストークを許容不可能なレベルにすることなく、配列内の干渉計の数を大幅に増加させることが可能となる。
【００１８】
中心波長が同じであるブラッグ回折格子を備えた干渉計間における従来技術のクロストークの影響は、異なる波長の回折格子を用いて異なる波長の干渉計の組を配列に沿って構成することによって、著しく減少させることができる。図４を参照すると、複数の直列配列１２（副配列）が、光ファイバー１５の長手方向に沿って互いに接続されている。各副配列１２は、複数の干渉計１７を備えている。各干渉計１７は、一対のブラッグ回折格子２２と、ブラッグ回折格子２２間に配置された検知用長さの光ファイバー２５と、を備えている。図４に示されるように、検知用長さの光ファイバー２５は、ハイドロフォン配列内のマンドレルに巻き付けられている。代わりの実施例として、検知用長さの光ファイバー２５を歪みに応答することができるような適した形状にすることによって、干渉計の歪みセンサを構成することも可能である。一対のブラッグ回折格子２２は、同じ特性波長λｎを有しており、これによって、干渉計が、この特性波長λｎによって一意に識別されるようになっている。しかし、副配列１２内の各干渉計１７の特性波長λｎは異なっているため、複数の干渉計１７は、それぞれ、特性波長（λ1、λ2…λn）によって一意に識別されるようになっている。
【００１９】
パルスレーザー等の光源２０から、入力光信号３３が光ファイバー１５に送られる。各副配列１２内の各干渉計１７から一次反射信号が発生し、この一次反射光信号はカプラ３５を介して補償干渉計４０に送られる。図２について説明すると、干渉計１７を構成する一対のファイバー回折格子２２の各ブラッグ回折格子によって、一次反射光信号が発生する。補償干渉計４０は、このような一次反射光信号に応答して、干渉信号を発生させる。この干渉信号の位相は、検知用長さの光ファイバー２５における位相変化に依存する。補償干渉計４０からの出力は、波長分割多重（ＷＤＭ）フィルタ４２に送られ、波長分割多重（ＷＤＭ）フィルタ４２から、特性波長（λ1、λ2…λn）に基づく、副配列１２内の各干渉計１７に対して一意の出力が発生する。
【００２０】
異なる副配列１２内の異なる干渉計１７からの反射信号は、時間分割多重（ＴＤＭ）技術によって、他の信号から一意に識別される。この技術は、干渉計１７が光ファイバー１５の長手方向に沿って物理的に離間していることによる、異なる干渉計１７からの反射信号の受信の遅延時間を利用するものである。
【００２１】
図４の配列構成によって、共通波長のクロストークが、従来技術と比較して著しく減少する。例えば、４つの副配列１２が利用されており、各副配列１２が８つの干渉計（１６個のブラッグ回折格子および８つの検知用長さの光ファイバー２５を有する）を備えている場合、３２個の干渉計センサ要素が光ファイバー１５の長手方向に沿って多重化されている。しかし、どの特性波長λｎに対しても、互いに干渉し得るのは、４つの干渉計のみである。様々な副配列１２間の経路の長さを適切に選択することによって、同じ特性周波数を有する干渉計からの反射信号にタイミングを与え、これによって共通波長のクロストークが起こる可能性を低減させることが可能である。
【００２２】
配列のクロストークの制限は、ハイブリッド配列構成を利用することによって、より大幅に軽減させることができる。図５の配列構成を参照すると、入力用ファイバー５５からの光を複数の分岐５６，５７，５８に送るために、分岐カプラ５０を配列に組み込むことによって配列が構成されている。各分岐５６，５７，５８は、干渉計６０の副配列（直列配列）５９を備えている。特定の副配列の各干渉計６０の特性波長（λ1、λ2…λn）は、その副配列内の他の全ての干渉計６０と異なっている。各干渉計６０からの一次反射光信号は、同じ特性波長λｎを有する他の干渉計６０を通過しないため、共通波長のクロストークは図５の構成によって阻止される。
【００２３】
ここで図６を参照すると、図５の配列構成が拡張されており、各分岐７０，７１，７２内で副配列６５，６６を制限的に直列にできるようになっている。１つの副配列６５のセンサの特性波長を、他の副配列６６において繰り返すようにしてもよい。このような構成では、共通波長のクロストークは著しく制限される。例えば、各分岐７０，７１，７２内で２つの副配列６５，６６が直列に接続される場合、各分岐内の他の全てのセンサのうち、１つのセンサのみが同じ特性波長を有する。このことによって、共通波長のクロストークは大幅に制限される。各副配列のセンサの数が少ない場合（例えば、８つの異なる特性周波数を有する８個の干渉計を用いる場合）は、２つの副配列を各分岐に備えることによって、共通波長のクロストークを、非常に小さく、無視できる程度にすることができる。８つの波長および８つの分岐カプラを用いる場合、総数１２８個のセンサをファイバーに沿って備えることができる。波長の数つまり配列内の分岐アームの数を増加させることによって、アドレスできるセンサの総数が増加する。このことは、直列のファイバーブラッグ回折格子干渉計へのアプローチの実用性を著しく改善できることを表している。
【００２４】
図５を参照する。このような分岐構成を利用する場合は、配列内の最も末端のセンサ（すなわち末端の分岐５８内のセンサ）からの反射光信号の出力レベルは、第１の副配列５６からのものよりも大幅に弱くなる。これは、光が、カプラおよびスプライスを通って配列を通過し、補償干渉計および検出システムに戻っていくにつれて累積する損失に起因する。この影響は、配列内のより末端の位置にあるファイバー回折格子要素の反射率を増大させることによって、部分的に補償される。例えば、第１分岐５６内のファイバーブラッグ回折格子の反射率を１％とし、最後の分岐５８内のファイバーブラッグ回折格子の反射率を２％とする。これは、例示された目的のためにのみ適用されるものであり、与えられた配列構成でのカプラおよびスプライスでの損失を考慮して、各配列をカスタマイズすることが可能である。
【００２５】
代わりの実施例としての配列構成が図７に示されている。図７を参照すると、ハイブリッド特性を有するこの配列は、さらに、入力バスファイバー７５および出力バスファイバー７７が配列構成に組み込まれるステップを有する。光は、入力光源７８から配列内の連続的な分岐７９，８０，８１に送られる。各分岐７９，８０，８１は、１つあるいは複数の副配列８３を備えている。配列内の最後の分岐８１以外の各分岐７９，８０への光は、カプラ８５を介して入力バスファイバー７５から分岐７９，８０へと分配される。各分岐７９，８０，８１は、指向性カプラ８８を備えており、これによって入力バスファイバー７５からの入力光が分岐内の副配列に送られるようになっている。最後の分岐８１内の副配列８０への光は、入力バスファイバー７５から指向性カプラ８８へと直接に送られる。各分岐内の副配列からの反射光信号は、カプラ８８を経て出力バスファイバー７７を通過する。第１分岐７９内の副配列からの光は、カプラ８８を介して出力バスファイバー７７へと直接に送られる。他の分岐８０，８１の副配列からの光は、順に、カプラ９２によって出力バスファイバー７７に結合される。
【００２６】
このように信号を順に結合することによって、各センサ配列を通過する全ての経路が、確実に、ほぼ同数のカプラを経由することとなる。このため、必然的に、損失が均等になる。配列内の第１の分岐および最後の分岐では、カプラの数は１つ少なくなる。しかし、この差は大きくない。上述した図７の配列構成では、各入力光信号は、ほぼ同じ長さの光ファイバーを通過するため、異なる配列８０からの反射光信号も、ほぼ同時に補償干渉計９５に到達する。時間分割多重化技術を利用して異なる配列８０からの反射光信号を識別するために、光学的遅延要素９７が、各分岐間（各カプラ８５の後）で入力用光ファイバーに組み込まれる。単に長い光ファイバー、例えば４０メートルの光ファイバーを各遅延要素９７として利用することによって、異なる副配列８０からの反射光信号が異なる時間に補償干渉計９５に到達するような所望の遅延を得ることも可能である。
【００２７】
図７の配列構成では、クロストークが低減され、かつ反射光信号が均等になるとともに、利用されるファイバーカプラの数が制限される（例えば１つの副配列に３つのファイバーカプラが用いられる）。副配列が１６個のセンサを有する場合は、約０．１８カプラ／センサとなる。これは、一般的なマッハ−ツェンダレーダ配列構成でのほぼ４カプラ／センサに匹敵する。
【００２８】
図５の配列構成と組み合わせると、図７の配列構成内の各分岐に、複数の干渉計副配列を直列に接続することが可能となる。この配列構成内のセンサ総数は、副配列への分岐の数、副配列毎のセンサの数および分岐毎の副配列の数に基づいて決定される。
【００２９】
本発明は、ファイバーブラッグ回折格子をセンサとして利用するものとして説明された。しかし、本発明の配列構成は、ファイバーブラッグレーザーセンサにも適用できる。そのような構成では、検知用長さの光ファイバーに、エルビウム等の希土類材料がドープされることによって、ファイバーブラッグ回折格子レーザーセンサが形成される。
【００３０】
本発明は、その具体例に関して説明および図示されたが、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、上述のものに様々な追加および変更を加えることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来技術のファイバーブラッグ回折格子干渉計配列を備えた多重式干渉計システムの概略ブロック図。
【図２】  図１のシステムの補償干渉計から発生する干渉信号を示すパルスタイミング図。
【図３】  図１のファイバーブラッグ回折格子干渉計配列の光信号の直接的な反射経路およびクロストークの反射経路。
【図４】  本発明の第１実施例の直列ファイバーブラッグ回折格子干渉計配列を備えた多重式干渉計システムの概略ブロック図。
【図５】  本発明の第２実施例の直列ファイバーブラッグ回折格子干渉計配列を備えた多重式干渉計システムの概略ブロック図。
【図６】  本発明の第３実施例の直列ファイバーブラッグ回折格子干渉計配列を備えた多重式干渉計システムの概略ブロック図。
【図７】  本発明の第３実施例の直列ファイバーブラッグ回折格子干渉計配列を備えた多重式干渉計システムの概略ブロック図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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